电子控制技术的发展与挑战

电子控制技术的发展与挑战

Ross T. Banatyne

摩托罗拉，交通系统安全和底盘系统分割版权：1998年汽车工程师协会，股份有限公司

摘要

这篇文章将讨论关于新兴的被电子控制的制动控制系统的动态和其所面临的在设计成本效益方面的挑战的解决方法。第一个讨论的将会是涉及传统液压系统的总体方向以及未来实现的主要问题和挑战，比如线控制动系统。

前言

现在的系统所实现的技术是集成电路的的标准—导的边缘。冗长的设计和审核周期使得我们需要建立一个生产准备电子控制单元（ECU）来确保能够在汽车上实现的技术时间，这有点成熟。除了少部分的关键定制芯片意外，大多数的ECU将会被用来组成“成品的”设备。这在降低风险和减少成本方面会带来优势，但却会导致一个非优化实现和在软件竞争方面更难取得优势。为了满足未来的性能和集成需求，将会使用更多的定制集成电路产品。

ABS行业面临的直接挑战是减少了渗透率的增长，特别是美国。目前有许多的活动在教育公众使用ABS和是他们相信它的价值，比如说其在汽车安全上期的重要作用。随着这些活动获得动力和达到更广泛的受众，他们被期待着能影响到ABS渗透率的增长。然而，也许那个对电子制动控制系统的渗透率产生更重大影响的就是具有实用性和采纳度的车身稳定控制系统（ESP），换句话说就是众所周知的集成车辆动力系统(IVD)。通过自动协助转向

不足/转向过度的状况，这些更复杂的系统大大提升了乘员的安全度。汽车媒体广泛报道了关于“埃尔克/穆斯”测试中的车辆翻转事件可能预示着ESP系统的一个重大里程碑的实现，采用这样一个系统是被看作主要提高动态底盘的稳定性。

总体趋势

第一个最明显的趋势就是电子控制制动系统复杂性的增加。对基础的ABS来说算法越来越精炼，还有其增加的牵引力控制、稳定性管理和辅助制动功能是更为复杂的控制策略。这些增强过的系统可以实现各种附加传感器和软件模块的使用。一般来说，ESP系统需要一个角速度传感器、横向低重力加速度计和转角传感器。随着控制系统的更进一步发展，更多的传感器将被添加来为所有六个自由度提供信息。添加踏板行程传感器、流体压力传感器、和其他一些传感器将会增强底盘系统的控制，和ECU将会很快的被这些传感器输入的信息所淹没。这些传感器中的每一个都会经常中断主处理器和需要一个与之相关联的软件模块。在输出端，这些先进的系统需要附加的液压阀、继电器和电机，并再次对系统的工作负载和算法复杂度产生重大的影响。就多晶硅来说，电子控制制动系统复杂性的增加导致了复杂的模拟接口芯片和高性能中央处理单元的发展。就像获得巨大增长的内存存储那明显变得更大的软件一样。高级语言和自动生成代码工具被视为一个解决方案来处理生成的复杂性代码，尽管它必须记住有一个权衡结果代码并使其最优化，还有它占用了更多的有价值的记忆。图1说明了就硅的实现而言电子控制制动系统的技术趋势。

增加软件复杂性的重要性是非常有意义的，因为软件编程并没有传统的成为关键能力制动系统的供应商。研究表明，在大多数的嵌入式系统解决方案中所需求得软件设计师的数目远远超过软件设计师的数目。翻译成ABS ECU环境，解决软件的复杂性也会导致一种不同的方法来处理冗长的寻址。虽然一个不对称的冗长多余的方案使用的硅较少，而且花费的成本更低，对称冗余系统使用同样的CPU运行同样的代码。这意味着只需要编写一个软件程序，因此在开发成本、上市时间、简捷等方面就需要一个更有吸引力的解决方案。图2展示了一个框图澄清两个冗余的方法。对中央处理单元的有冗余要求的主要是汽车制造商。如果每个故障模式识别控制故障安全继电器禁用电子系统(仅恢复液压备用),那么它可以辩称,一个备用的CPU运行代码可能就不是必要的了。现在的电子元件故障率PPM是如此之低，这与附加的可能的失效模式使得系统复杂化，和另一个将要添加的CPU是不可能真正提高整个系统的鲁棒性。为了充分降低系统成本,消除冗余CPU是一个明显的优势——然而这对确保可以证明没有降低系统的安全水平来说它将是一个重大的挑战。

制动系统供应商现在必须解决的每一个区域市场从而取得成功。这意味着提供ABS基本的低成本解决方案，ABS与牵引力控制系统甚至和更高级的系统集成 ,如刹车辅助、ESP系统和未来的防撞系统。为了在开发和销售所有的这些系统中

具有竞争力，尽可能的重复充分利用是非常重要的。这意味着应该以一种模块化方式编写软件并采用可扩展芯片组。为了确保一个有效的的路线图，使得它能够在未来可以提供达到世界级水平的支撑技术，与正确的半导体供应商合作是很重要的。如果相同的芯片组和大部分的软件用于今天防撞系统,而且对于未来的防撞系统同样适用，供应商将受益于较低的开发成本和较短的改进循环时间。

分区的软件和硬件在半导体层面上对于一个给定的ECU来说通常是一个挑战。这是因为硬件和软件通常是由两个不同的团队独立和并行设计的。底盘控制级别的分区是下一个挑战。一个完全集成底盘控制系统应该无缝地联合制动、转向和悬挂系统。虽然很容易将这些系统借用串行总线共享数据,但它不是最简洁或有效的解决方案。只有当整个控制系统都考虑进去和进行分区算法才能实现最低的成本和最佳的系统。这是一个挑战,如今没有多少供应商能够提供整个底盘控制系统的解决方案,以及不同的开发团队,倾向于会有许多不同的开发团队,可能与不同的公司合作,这些团队和公司很可能在世界的不同地域。

对于ABS系统供应商来说仍然是成本为王。在改善电子控制制动系统的普及率上，进一步降低成本被视为另一个要素。此时,该行业目标价是每个基础的ABS系统100美元。这一目标预期将于2001年实现。这是一个具有重大意义的里程碑，这个目标代表着需要花费第一代系统大约十分之一的成本。一旦一个电

子控制制动系统可用,进一步系统技术的发展(如ESP系统)可以实现在一个增量成本，就如同基础硬件已经到位。

减少ABS系统的显影和判定时间变得越来越重要。为了能够在全球范围内更具竞争力，将图纸上的设计变成工作现实所花费的时间必须得到改善。有很多好的做法的点可以帮助促进这一点。使用独立于平台的模块化软件和硬件是最明显的。此外,有许多系统性开发工具正在开发可以帮助减少开发时间的软件。考虑到一个新的平台发展;如果一个模拟环境可以模拟新硬件(通常是在并行开发),现有的软件可能被移植到这个环境中以验证软件和硬件的功能。当新硬件可用（也许是一个定制的芯片集）时，对于该软件能够集成在一起的可操作性有很大的信心。这可能会减少许多个月的整体开发周期时间。

导线制动

毫无疑问的如今所采用液压油的制动系统的标准将完全被电气系统取代。如此这样一个系统具有很多优势；这使得它成为一个很理想的目标；它的优势有以下几点:

●无制动液。生态友好和维护次数减少。

●质量轻

●提高性能（制动反应更快）

●最小的制动磨损（轮胎的载荷分布更均匀）

●更简单的/更快捷的组装和测试(模块结构)

●电气连接更稳固

●通过舱壁无机械联接。

●进一步的电子控制功能只需添加很小的复杂度。

●踏板一致的特点，恒定的行程

●当涉及拖车时，制动系统同时响应运输和拖车。

●比液压基本系统明显更少的零部件

然而，首先第一个要解决的主要问题是：在线制动系统被采用前这个问题必须处理